桩承扶壁式挡墙有限元分析
基于有限元分析的挡土墙结构优化研究
基于有限元分析的挡土墙结构优化研究挡土墙是土木工程中常见的一种边坡支护结构，其作用是抵抗土体自重和侧压力，保护边坡的稳定。
在挡土墙的设计中，优化结构是提高结构性能和经济性的关键。
基于有限元分析的挡土墙结构优化研究旨在通过有限元分析方法，评估挡土墙结构的性能，进而寻求最优的结构方案。
本文将针对挡土墙结构的优化进行详细研究，包括结构参数的选取、有限元模型的建立、分析方法的选择和结果的评估等方面。
首先，结构参数的选取是挡土墙优化设计的基础。
挡土墙结构包括墙体几何参数和材料参数等。
在选取墙体几何参数方面，需要考虑墙体的高度、底宽、顶宽、坡度等因素。
而在选取材料参数方面，需要考虑墙体的抗折强度、抗滑强度、抗倾覆能力等指标。
通过在一定范围内变化这些参数，可以得到不同结构方案的有限元模型。
其次，有限元模型的建立是进行优化研究的关键。
有限元模型应该准确地描述挡土墙的力学行为，并能够反映实际工程中的各种受力和变形情况。
一般来说，有限元模型应包括挡土墙结构、土体、支护设施等各个组成部分。
在建立模型时，还需根据实际情况考虑边界条件，如土体的边界约束和荷载的施加方式等。
第三，选择合适的分析方法进行挡土墙结构的有限元分析是优化研究的关键环节。
有限元分析方法主要包括静力分析和动力分析。
对于挡土墙这种静力结构，一般可以采用静力分析方法，例如采用平衡法、变分原理或有限元法求解结构的受力和变形情况。
在分析过程中，还需考虑土体的非线性特性、构筑物与土体的接触条件等。
最后，通过有限元分析的结果来评估不同结构方案的性能，进而确定最优方案。
评估指标主要包括挡土墙结构的受力性能、变形性能和经济性能等。
通过比较不同结构方案的评估指标，可以得到最优的挡土墙结构设计。
综上所述，基于有限元分析的挡土墙结构优化研究是一个复杂而重要的课题。
在研究中，需要选取合适的结构参数、建立准确的有限元模型、选择适当的分析方法，并通过评估指标确定最优设计方案。
通过这些研究内容的探索和分析，可以得到性能更好、经济性更高的挡土墙结构设计，提高工程的稳定性和安全性。
桩基础有限元极限分析应用研究—强度折减法
如何在ANSYS软件中输入极限分析参数
(2) 公式(2)的岩土材料参数输入
岩土材料参数不仅涉及到桩土材料参数的输入，而且 涉及到接触界面材料力学性质，因此建议采用APDL参数 化语言编程方法，便捷地实现参数的输入。如：
TM1=6e6
（弹性模量）
PSB1=0.3
（泊松比）
MD1=1800
（密度）
CSR1=11500
分析桩的竖向承载力特征值。
1. 桩基础有限元极限分析方法
强度折减法
若评价桩基础的安全性，可以采用对岩土材料进行强
度折减的方法，实现安全性评价。c和值的折减如下：
c' c/ F
(3)
' arc tan(tan / F)
(4)
其中，F为桩基础的安全储备系数。
增量加载法
增量加载法是当前有限元极限分析的常用方法，桩基础 的极限载荷确定需要从计算P-S曲线和相关极限承载力判定 方法确定，安全系数为超载安全系数。
2 3 sin 2 3 (9 sin2 )
k
6 3c cos 2 3 (9 sin2 )
3. 桩土界面性质的模拟
（1）桩土
土两种材料的界面层力学特征。
接 触 单
（2）接触面的材料属性与 元 桩基础不同施工的工法
采用接触面材料属性的变
化解决不同工法对桩周地基的影 响。
(a) 实体分网
(b)桩身分网
图 桩基础有限元计算模型网格图
P/10kN
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
10
载荷试验的P-s曲线
20
30
40
基于有限元分析的挡土墙稳定性评估与优化设计
基于有限元分析的挡土墙稳定性评估与优化设计挡土墙是土木工程中常用的一种结构，用于抵抗土体的侧压力，保持土体的稳定。
挡土墙的稳定性评估与优化设计是一项重要的工作，可以确保挡土墙在正常使用条件下不发生倒塌事故，并能满足建设需求。
在进行挡土墙稳定性评估与优化设计时，有限元分析是一种常用的方法。
有限元分析是一种数值计算方法，通过将复杂连续介质问题离散化为有限个单元，建立离散的数学模型，并利用计算机进行求解。
通过有限元分析，可以对挡土墙的受力和变形进行准确的模拟和计算，为稳定性评估提供可靠的依据。
在进行稳定性评估时，首先需要确定挡土墙所受力的边界条件。
这包括土体的侧压力、挡土墙的重力、附加荷载等。
通过有限元分析，可以将这些力的作用效果准确地模拟出来，并计算出挡土墙在不同工况下的受力情况。
根据计算结果，可以判断挡土墙的稳定性，并进行相应的优化设计。
在评估挡土墙的稳定性时，主要考虑以下几个方面：1. 滑动稳定性评估：滑动是挡土墙最常见的破坏形式之一。
通过有限元分析，可以计算挡土墙和土体之间的剪应力分布，并评估挡土墙的滑动稳定性。
如果滑动安全系数小于1，即表示滑动破坏的可能性较大，需要进行相应的优化设计。
2. 翻转稳定性评估：翻转是挡土墙另一种常见的破坏形式。
通过有限元分析，可以计算挡土墙的倾覆转矩，并评估挡土墙的翻转稳定性。
如果倾覆转矩大于挡土墙的抗倾覆转矩，即表示翻转破坏的可能性较大，需要进行相应的优化设计。
3. 应力和变形分析：挡土墙的稳定性评估还需要考虑挡土墙和土体的应力和变形情况。
通过有限元分析，可以计算挡土墙和土体的应力和变形分布，并评估挡土墙的变形与破坏情况。
如果挡土墙变形较大或应力超过允许值，需要进行相应的优化设计。
基于有限元分析的挡土墙稳定性评估与优化设计是一项复杂而重要的工作。
在进行评估时，需要准确模拟挡土墙及其周围土体的力学行为，并结合结构的受力性能和变形特点进行综合分析。
通过合理的优化设计，可以提高挡土墙的稳定性，确保工程的安全运行。
多层地基下板桩墙计算方法与有限元分析研究的开题报告
多层地基下板桩墙计算方法与有限元分析研究的开题报告一、研究背景多层地基下板桩墙结构是大型土木工程中常见的一种结构形式。
板桩墙结构的应用广泛，可以用于沿海工程、深基坑支撑、隧道顶管等项目中；多层地基下板桩墙结构与普通板桩墙结构相比具有更强的承载能力、抗震性能和变形控制能力，同时还可减小建筑物的地基沉降和偏斜，具有非常重要的实用价值。
在多层地基下板桩墙结构中，地下部分常常采用桩与拱构配合的形式，以提高结构的承载力和稳定性。
同时，多层地基下板桩墙结构中存在复杂的相互作用，涉及土、桩、墙之间的相互作用，而这些相互作用又会受到多种因素的影响，如地基岩石性质、地下水位、地震力等，因此需要采用合适的计算方法来进行结构的设计和优化。
二、研究内容本研究将采用数值计算方法，即有限元分析方法，对多层地基下板桩墙结构进行模拟分析，旨在探索板桩墙结构的力学性能、变形特性及其承载力等问题。
具体研究内容包括以下几个方面：（1）分析板桩墙结构在静载和动载（地震）状态下的力学行为，研究单桩和桩列对结构整体的影响；（2）探究板桩墙结构的变形规律，尤其是在大变形状态下的非线性效应；（3）分析多层地基的应力分布特征及土-结构相互作用；（4）研究结构的承载力，探讨地基工程中的安全系数问题；（5）研究特定情况下，如地下水位不断波动的影响，探讨板桩墙对变干湿周期影响。
三、研究方法本研究采用有限元分析方法，使用ANSYS等有限元分析软件工具，建立多层地基下板桩墙结构的三维模型。
在此基础上，分析板桩墙结构的受力、力学和变形特性，最终得出结构的承载力、安全系数等参数。
四、预期成果通过本研究，预期得出多层地基下板桩墙结构力学性能、变形特性及其承载力等参数，可以为工程实践提供一些有价值的参考依据。
同时，还可以进一步完善多层地基下板桩墙结构设计理论，推动结构设计方法、设计规范和评估方法的进一步完善，为加强地基工程质量管理提供指导。
挡土墙有限元分析
挡土墙有限元分析
十、利用有限元软件对扶壁挡土墙进行的应力和振型分析。
（扶壁间距4m，厚
0.4m）
r=20.2kN/m2
C=0.041MPa
扶壁挡土墙截面尺寸（m）
解：
应力分析
一、建立计算初始地应力模型
1、建立几何模型
2、定义物理条件
定义施加边界条件：。
●施加重力荷载：
●定义材料特性
a) 挡土墙材料特性b)地基土材料特性
●定义单元组
●定义接触
网格划分
保存数据库为diyingli.in或diyingli.idb
3、求解
输入将要生成的求解文件diyingli.dat，ADINA开始求解4、静力分析后处理结果
5、后处理结果中提取地应力
二、建立土压力计算模型
1、增加新的几何模型
2、定义模型的物理条件(略)
3、网格划分
4、求解
●求解控制
●求解过程
输入将要生成的求解文件tuyali.dat，ADINA开始求解5、后处理
挡土墙与地基的有效应力分布挡土墙的有效应力分布
（x=3.9m，z=-0.4m）有效应力曲线（y=-2.1m，z=0.4m）有效应力曲线
（x=3.9m，y=-1.7m）有效应力曲线
模态分析
在tuyali.in的基础上删除墙后填土（保留重力荷载）一、求解
●分析类型设置
在求解类型中选择Frequencies/modes,然后点击，
二、后处理
●模态及频率
一阶模态二阶模态三阶模态
四阶模态五阶模态六阶模态
七阶模态八阶模态九阶模态
十阶模态。
桩基承载力的ANSYS有限元分析
第8卷第4期2010年8月水利与建筑工程学报Journal of Water Resources and Architectural EngineeringVol.8No.4Aug.,2010收稿日期:2010 04 28 修回日期:2010 05 20作者简介:杜蓉(1979 ),女(汉族),陕西汉中人,工程师,主要从事火电厂、核电厂水工构筑物结构设计。
桩基承载力的ANSYS 有限元分析杜 蓉1,张建友1,隋丽丽2,张洪美2(1.国核电力规划设计研究院,北京100094;2.山东省滨州市水利勘测设计研究院,山东滨州256600)摘 要:利用ANSYS 软件建立土体与桩共同作用的数值模型,将有限元应用于桩 土结构进行三维有限元数值计算,得到桩 土结构的应力与变形,分析了桩 土结构的荷载 沉降曲线及荷载的传递规律,对以后桩 土模拟及设计有重要的参考价值。
关键词:桩基础;桩与土共同作用;桩 土结构;数值模拟;有限元中图分类号:TU473 文献标识码:A 文章编号:1672 1144(2010)04 0213 03Analysis on Loaded Capacity of Pile Foundation by Finite Element MethodDU Rong 1,ZHANG Jian you 1,SUI Li li 2,ZHANG Hong mei 2(1.State N uclear Electric Power Plannin g Design &Research Institute,Beijing 100094,China;2.Bin zhou Investigation and Design Institute of Water Conse rvanc y in Shandong Province,Binzhou,Shandong 256600,China)Abstract:The numerical model of soil and pile interaction is built based on the large finite ele ment software ANSYS,and three dimensional fini te element theory of numerical simula t ion is applied to the calculation of pile soil struc ture.The stre ss and de for ma t ion of the pile soil struc ture are obtained and the load settlement curve and load transferring law of the pile soil struc ture are analyzed.The research re sults will be very useful to the pile soil simulation and design in the future.Keywords:p ile foundation;soil and pile interaction;pile soil structure;num erical simulation;finite elemen t0 引 言桩基础是一种历史悠久的建筑基础形式,也是一种应用广泛、发展迅速、生命力强大的现代建筑基础形式。
挡土墙有限元分析
十、利用有限元软件对扶壁挡土墙进行的应力和振型分析。
（扶壁间距4m，厚
0.4m）
r=20.2kN/m2
C=0.041MPa
扶壁挡土墙截面尺寸（m）
解：
应力分析
一、建立计算初始地应力模型
1、建立几何模型
2、定义物理条件
定义施加边界条件：。
●施加重力荷载：
●定义材料特性
a) 挡土墙材料特性b)地基土材料特性
●定义单元组
●定义接触
网格划分
保存数据库为diyingli.in或diyingli.idb
3、求解
输入将要生成的求解文件diyingli.dat，ADINA开始求解4、静力分析后处理结果
5、后处理结果中提取地应力
二、建立土压力计算模型
1、增加新的几何模型
2、定义模型的物理条件(略)
3、网格划分
4、求解
●求解控制
●求解过程
输入将要生成的求解文件tuyali.dat，ADINA开始求解5、后处理
挡土墙与地基的有效应力分布挡土墙的有效应力分布
（x=3.9m，z=-0.4m）有效应力曲线（y=-2.1m，z=0.4m）有效应力曲线
（x=3.9m，y=-1.7m）有效应力曲线
模态分析
在tuyali.in的基础上删除墙后填土（保留重力荷载）
一、求解
●分析类型设置
在求解类型中选择Frequencies/modes,然后点击，
二、后处理
●模态及频率
一阶模态二阶模态三阶模态
四阶模态五阶模态六阶模态
七阶模态八阶模态九阶模态
十阶模态。
高大扶壁式挡土墙墙后土压力特性有限元分析
高大扶壁式挡土墙墙后土压力特性有限元分析摘要：本文主要对高大扶壁式挡土墙墙后土压力特性进行了有限元的数值分析。
有限元分析结果表明:扶壁式挡土墙的肋板间隔在很大程度上影响着水平向土压力空间分布，在面板的下部，由于肋板的影响，作用在挡墙上的土压力出现中间大，向两侧逐渐减小的趋势，且肋板间隔越大，产生的影响越小。
该类挡墙对填土的水平位移有很好的控制作用，可为扶壁式挡土墙在边坡支护中的大面积推广提供理论支持。
关键词：高大扶壁式；挡土墙；墙后土压力；有限元分析1、工程实例工程位于陕西省商洛市镇安县，地貌单元属于剥蚀丘陵地．该地区设防烈度为６度（0.05ｇ），场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第一组，基本风压为0.35ｋＰａ．本项目为金矿原矿堆场两侧挡土墙，属于重点设防类别；依据GB50011－2010《建筑抗震设计规范》（下文简称《抗规》）规定，其抗震等级为３级．工程左边为单层框架结构配电室，右边为６层框架结构，中间设置100ｍｍ宽的沉降缝，其建筑平面示意图．项目北侧无土，西侧和东侧有逐渐变缓的土坡，南侧土坡较高．左边底层框架计算高度为6.05ｍ；右边底层框架计算高度为6.50ｍ．挡土外墙为250-350ｍｍ厚钢筋混凝土墙，基础埋深范围内无地下水。
2、有限元分析2.1 土结整体分析为了解挡土墙在墙后堆料产生的主动土压力作用下，地基土和挡土墙自身的总变形，采用PLAXIS岩土有限元软件整体建模分析，考虑到挡土墙结构为平面应变问题，采用平面模型，节省计算时间。
1)土体本构模型、挡土墙土体接触面关系、挡土墙墙体模型。
本次计算模型的选取:土体模型采用软件自带的摩尔库仑模型，挡土墙墙体采用线弹性模型，土体与挡土墙之间的接触面采用双线性的摩尔库仑模型来进行模拟。
地基土及墙后堆料采用弹塑性Drucker-Prager准则。
在挡土墙与地基土和堆料之间设置接触面单元。
根据计算结果可以看出:a．由于挡土墙对堆料的约束作用，墙后堆料的最大水平位移发生在墙顶以上一定距离的坡上，而不是坡角处；b．土结整体作用时挡土墙的水平位移顶部最大，底部最小，中间次之，同时顶部水平位移最大值约为60mm，符合挡土墙达到主动土压力时的位移量(0．001～0．005)h，h为挡土墙的高度，即此时挡土墙后的土压力已达主动土压力。
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桩承扶壁式挡墙有限元分析
摘要]随着城镇一体化的发展，道路工程中频现高填方，高填方填土规模大、碾
压效果不易控制且后期沉降难以预测，传统支挡结构难以满足其沉降及承载力要求，致使挡墙因沉降拉裂失效。
联合支挡结构—桩承扶壁式挡墙可解决填方区域
沉降过大及不均匀等问题。
本文以实际工程为例，采用midas GTS软件，对传统
扶壁式挡墙和桩承扶壁式挡墙分别建模进行数值模拟，并分析受力特点，为工程
建设中新型支挡结构设计提供参考。
[关键词]道路工程；土体沉降；数值模拟；桩承扶壁式挡墙；桩墙体系
0 前言
道路工程中存在大量挖填工作，传统支挡结构如悬臂式挡墙、扶壁式挡墙和
加筋土挡墙，属柔性支挡结构，可适应地基土体微量变形，适用于填方区域[1-3]；而高填方工程，由于填土高度多超过18m，施工过程土体压实效果难以控制，且
自重作用固结沉降历时长久，土体不均匀沉降导致挡墙失效事故时有发生，如何
对高填方土体进行支挡，并保证保证车辆行人安全，成为道路工程支挡结构研究
的重点[4-5]。
随着新型支挡结构的发展，支挡结构设计理念和形式不断被优化改进[6]。
桩
承扶壁式挡墙作为联合支挡结构，可有效解决填方区域不均匀沉降问题。
但国家
设计标准对其计算方法和设计流程尚未统一规范，传统设计方法常将桩基—承台
视为连梁进行配筋设计[7-9]，本文结合实际工程，对桩承扶壁式当挡墙和扶壁式
挡墙分别建立数值模型进行模拟，分析其受力状态及地基沉降差异。
1 工程概况
某公路工程所在地属典型黄土地貌单元，地形破碎且区内发育小型滑坡、黄
土陷穴、冲沟、切沟等不良地质作用。
按规划道路依地形、就地势呈阶梯式布置
于填方土体上，共划分为三级台阶，阶梯高差均为8m。
依勘察报告，场地自上
而下地层分别为：人工填土(Q4ml)、新近堆积黄土(Q4eol)、黄土状土(Q4al)、马兰黄土(Q3eol)、古土壤(Q3eol)、离石黄土(Q2eol)、古土壤(Q2eol)、离石黄土(Q2eol)、砂质泥岩(K)、砂岩(K)。
2 数值模拟
2.1 计算模型的建立
桩承扶壁式挡墙按工程实际进行截面设计，模型坐标轴取在横断面中心，Z
轴正方与重力方向相反[10]。
挡土墙高9.5m，埋深2m，立面板宽0.4m，墙趾宽1.6m，墙踵宽3.5m，底板高1m，扶肋间距3.5m，扶肋厚0.4m，扶壁两端墙面
板宽1.5m；挡土墙底板，按规范每10m设置伸缩缝一道，其下布置灌注桩两排
四列，桩横向间距3.5m，距离上下边缘均为1m，桩纵向间距2.4m，距离左右边
缘均为1.4m。
桩长20m打入古土壤。
建立传统扶壁式当挡墙模型，其中挡墙结
构尺寸同上，其下方不设置桩基础。
2.2 模拟理论
在桩墙体系工作过程中，将每根桩按照模型试验尺寸建成实体单元，考虑抗
滑移力主要为墙底与地基土之间摩阻力，故采用桩基复合地基法进行模拟。
复合
地基的机理是充分调动桩间土和桩共同承担荷载[10]。
复合地基当做摩尔库仑材料，其相关物理参数取值见表1。
表1 复合地基计算参数
材料 E (MPa) νγ (kN/m3) c (kPa) φ (o)
复合地基 12500 0.2 20 2500 0
2.3 计算参数选取
考虑暴雨工况，根据勘查资料对挡墙后方人工填土、地基土、古土壤三种土
体的物理力学参数进行选取，具体材料力学参数取值如表2所示：
3 模拟结果分析
3.1 沉降云图对比分析
设置相同地层条件，保证外荷载及填土作用不变，扶壁式挡墙沉降云图如图
1所示；桩承扶壁式挡墙沉降云图如图2所示。
现对其对比分析：
图1为填方区采用传统扶壁式挡墙模型建立，可知，挡墙下方总体沉降量较大，趾板和踵板处存在较大不均匀沉降，主要是由于墙踵板上方存在7.5米高的
人工填土，致使该部位沉降量偏大，随着填土深度的增加不均匀沉降的趋势也愈
发明显，直至距离墙踵板12m处，累计不均匀沉降达到峰值。
从图2中可以看出，桩承扶壁式挡墙下方填土总体沉降量较小，且分布均匀。
表2 模型试验材料计算参数表
对上图进行对比分析可知，两者在墙面板和扶肋上应力分布趋势基本一致，
而两者在挡墙底板上应力分布则迥然不同，图3显示，传统扶壁式挡土墙底板上
方大面积出现拉应力，原因是挡墙后方填土高度较大，使主动土压力产生较大的
倾覆力矩。
底板上层拉应力的大量分布，表明挡土墙自身稳定或处于极限平衡状态，较大的拉应力长时间作用或致使挡墙失效，挡土墙的长期使用安全不能得到
保证；图4显示，桩墙体系中趾板主要分布为压应力，墙踵板上方与墙面板交界
处出现拉应力，表明挡土墙处于正常使用状态。
对于踵板上部基桩周围局部分布
的拉应力，主要是桩墙体系共同作用的结果，桩墙体系工作过程中，底板上存在
应力重分布，位于墙踵板下方的排桩，在抗倾覆力矩较大的情况下或可提供一定
抗拔力；可增加桩墙体系抗倾覆能力，增强结构抗震性，这是桩承扶壁式挡墙的
显著优越性。
4 模拟结论
1.桩承扶壁式挡墙可有效减小地基土体最大变形量，模拟结果显示，桩基础
的应用可使地基土体最大变形量从394.86mm 减小至120.37mm；同时，桩承扶
壁式挡墙的应用，可提高挡墙整体稳定性，增加安全储备。
2.由数值模拟结果可知，桩墙体系共同作用过程中，桩基础可与上部挡墙共
同作用，在挡土墙底板上发生应力重分布，应力充分布可改善挡土墙自身受力状态，在倾覆力矩较大的情况下，位于墙踵板下方的排桩，将提供抗拔力，以保证
桩墙体系整体稳定。
故对桩墙体系设计中，应考虑踵板处桩的抗拔作用。
3.作为新型支挡结构，桩承扶壁式挡墙尚未形成详细设计流程和规范供设计
者参考，但由模拟结果可知，桩墙体系在设计计算中，由于踵板下方桩体存在抗
拔力，传统连梁设计法难以满足设计要求，为保证工程安全可靠，设计过程中需
对其进行严格抗弯抗扭验算。
参考文献
[1]王卫华.重力式、悬臂式、扶壁式挡土墙结构优化设计与选型[D] .兰州：
兰州理工大学, 2005
[2]井玉国.超限钢筋混凝土扶壁式挡土墙的研究与应用[D] .济南：山东大学,
2007
[3]Sangchul Bang. Active Earth Pressure Behind Walls[M] . Journal of
Geotechnical Engineering，ASCE,1985,111(3):751-761
[4]陈忠达,公路挡土墙设计[M] .北京：人民交通出版社, 1999.10
[5]范永丰.公路挡土墙的设计方法及优化研究[D] .长沙：湖南大学, 2003
[6]周恒宇.锚杆挡土墙在边坡防护中力学机理的研究[D] .成都：西南交通大
学, 2010
[7] 李广信. 加筋土应力变形计算的新途径[J]. 岩土工程学报.1994,57(6):55-63
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[9]Sokolov V. M.．Some characteristics of the formation of design loads on
counterfort retaining walls[J].Hydrotechnical Construction,1982，15(11)：712-714
[10]潘锋.柔性支护深基坑的有限元模拟分析[D] .合肥：合肥工业大学, 2009
作者简介：徐游，1966.4出生，四川交通职业技术学院，副教授，长期从事建筑设计质量检测等方面工作。